(57)【要約】【課題】  低コストを実現して、低インピーダンスに変化する電圧を安定化することができ、さらに低い電圧に対しても保護機能が働く静電気放電保護デバイスを提供する。【解決手段】  静電気放電により発生した電荷を逃がすための静電気放電保護デバイス１に、それぞれギャップ２を介して設けられそのギャップ２により絶縁された一対の電極３，４と、少なくとも一方の電極３のギャップ２側の表面から突出するカーボンナノチューブ８とを設けるようにした。これにより、スパークギャップの電界放出素子として、カーボンナノチューブ８を用いることによって、低コストを実現して、低インピーダンスに変化する電圧を安定化することができ、さらに低い電圧に対しても保護機能が働く静電気放電保護デバイス１を提供することができる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
静電気放電により発生した電荷を逃がすための静電気放電保護デバイスにおいて、
それぞれギャップを介して設けられ、そのギャップにより絶縁された一対の電極と、
少なくとも一方の前記電極のギャップ側の表面から突出するカーボンナノチューブと、
を備えることを特徴とする静電気放電保護デバイス。
【請求項２】
前記カーボンナノチューブは、一対の前記電極の両方のギャップ側の表面から突出している、ことを特徴とする請求項１記載の静電気放電保護デバイス。
【請求項３】
前記ギャップは、不活性ガスまたは窒素で満たされた状態、または真空状態である、ことを特徴とする請求項１又は２記載の静電気放電保護デバイス。
【請求項４】
前記カーボンナノチューブは多層カーボンナノチューブである、ことを特徴とする請求項１、２又は３記載の静電気放電保護デバイス。
【請求項５】
前記カーボンナノチューブは単層カーボンナノチューブである、ことを特徴とする請求項１、２又は３記載の静電気放電保護デバイス。
【請求項６】
前記カーボンナノチューブはその先端が開環しているチューブである、ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一記載の静電気放電保護デバイス。
【請求項７】
前記カーボンナノチューブは複数本設けられている、ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一記載の静電気放電保護デバイス。
【請求項８】
前記カーボンナノチューブは、それを保持して前記電極に設けられたカーボンナノチューブ保持層によって、前記電極の表面に設けられている、ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一記載の静電気放電保護デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集積回路（ＩＣ）や光デバイスなどを静電気による過渡電圧から保護する静電気放電保護デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
静電気放電（ＥＳＤ）は、ＳｉやＳｉＧｅ、化合物半導体などを用いた集積回路（ＩＣ）、化合物半導体を用いた光デバイス、及びそれらを用いたネットワーク通信装置、または、コンピュータに代表される情報を記憶するための磁気ディスクドライブなどにとって有害である。それらを静電気放電から保護するため各種ＥＳＤ保護回路が提案され、特に、特許文献１（集積回路）や特許文献２（ネットワーク通信装置）、特許文献３（磁気ディスクドライブ）には、スパークギャップを用いたＥＳＤ保護が提案されている。しかし、これらの中で用いられているスパークギャップについては、電界を集中させる集中構造を形成する、つまり部材の先端を１μｍ未満の半径に尖らせるように製造すること（特許文献３参照）が述べられている。
【０００３】
一方、ＧａＡｓなどに代表される化合物半導体を用いた半導体レーザやフォトダイオードなどは、幹線系のネットワークばかりでなく、ＬＡＮ、ネットワーク端末や電子機器間、ボード間、ＬＳＩチップ間などの光を用いた情報伝達に用いられている。特に、電子機器間やボード間、ＬＳＩチップ間を結ぶ光インタコネクションが今後ますます重要になってくる。その中で化合物半導体では、ＣＭＯＳやＳＯＩ、ＳｉＧｅなどの半導体で用いられてきたダイオードやトランジスタによるＥＳＤ保護デバイスを形成することは非常に困難である。そこで、非特許文献１では、ＧａＡｓに円錐形の突起をエッチングで形成し、微小ギャップを隔てた電極と対向させるスパークギャップを形成している。これは、静電気放電の電圧が印加されると、ＧａＡｓの突起の先端に極めて強い電界が印加されるため、ギャップでスパークを起こして、静電気放電による電流が流れ、デバイスや必要な回路側に電流が流れることを防止することができるので、ＥＳＤ保護デバイスとして作用する。このようなフィールドエッミッションによるＥＳＤ保護デバイスは、ダイオードやトランジスタを利用した保護素子に比べ、静電容量が小さく、回路の通常の機能に大きな影響を及ぼさない利点がある。また、非常に大きな電流を放電できるため、ＥＳＤ保護能力も高い。
【０００４】
一方、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）は、グラファイト状炭素原子面を丸めた円筒が１個、または数個〜数十個入れ子状に配列した繊維状構造を有し、その直径がナノメートルオーダーのきわめて微細な物質である。このグラファイト状炭素原子面を丸めた円筒が１個のチューブは単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）と呼ばれており、グラファイト状炭素原子面を丸めた円筒が数〜数１０個入れ子状に配列した繊維状構造のチューブは多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ）と呼ばれている。これらは、グラファイト状炭素原子面を丸めた非常に安定な結合を持ったものであるため、機械的強度に優れ、化学的にも安定である。また、カーボンナノチューブは、その構造によって金属から半導体と幅広い電気特性を持ち、微小で表面積が大きい、アスペクト比（長さ／直径比）が大きい、中空であるといった独特の形状を有する。さらに、カーボンナノチューブは形状に由来する特殊な特性を持つことから、新しい炭素材料として産業上への適用が期待されている。特に、カーボンナノチューブの先端は、ナノメートルオーダーの径をもつ半球状で、電圧印加による電界の集中が容易に得られ、低い印加電圧でも先端から電界放出が期待される。実際に、非特許文献２では、実験的にはじめて１本の多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ）からの電界放出が報告されている。その後、特許文献１や特許文献２、非特許文献３など、ディスプレイ装置に用いる電子放出素子に電子放出源としてカーボンナノチューブを採用している。
【０００５】
【特許文献１】特開平７−２６３５６６号公報
【特許文献２】特開平１１−２６１８５号公報
【特許文献３】特開平８−３３５３０５号公報
【特許文献４】特開平１０−１２１２４号公報
【特許文献５】特開平１１−１１１１５８号公報
【特許文献６】特開２０００−４４２１６公報
【非特許文献１】日経Ｓｃｉｅｎｃｅ  ２００３年  １月号  Ｐ８４
【非特許文献２】Ｓｃｉｅｎｃｅ  ２６９，１５５０（１９９５）
【非特許文献３】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ７２，Ｎｏ．２２（１９９８）Ｐ２９１２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献３などでは、電界を集中させる集中構造を形成する、つまり部材の先端を１μｍ未満の半径に尖らせるように製造することが述べられているが、通常のフォトリソグラフィーやマスキング技術を用いてウェハー平面に製造するもので、その先端の先鋭化には限界があり、さらにフォトリソグラフィーなどの高価なプロセスを必要としてしまう。
【０００７】
非特許文献１では、ＧａＡｓに円錐形の突起をエッチングで形成し、微小ギャップを隔てた電極と対向させるスパークギャップを形成している。このようにＧａＡｓやＳｉのような半導体を円錐形の突起を形成するには、一般に、エッチングなどの微細加工が必要であり、かつその形状により電界放出する電圧値が変化しやすい。また、この微細加工は、フォトリソグラフィーやエッチングなど比較的高価なプロセスを複数回経なければならず、高コストである。
【０００８】
特許文献６では、カーボンナノチューブの精製法が提案されている。その中では、帯電防止材料によるＥＳＤ対策が挙げられている。これは、導電性をもたせた材料により帯電を防止することで、静電気放電を防止するもので、その帯電防止材料として、半導体から金属までユニークな電気的特性をもつカーボンナノチューブの可能性を示唆しているが、スパークギャップのようにカーボンナノチューブの電界放出特性を用いたＥＳＤ保護デバイスを示唆するものではない。
【０００９】
本発明の目的は、低コストを実現して、低インピーダンスに変化する電圧を安定化することができ、さらに低い電圧に対しても保護機能が働く静電気放電保護デバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１記載の発明は、静電気放電により発生した電荷を逃がすための静電気放電保護デバイスにおいて、それぞれギャップを介して設けられ、そのギャップにより絶縁された一対の電極と、少なくとも一方の前記電極のギャップ側の表面から突出するカーボンナノチューブと、を備えることを特徴とする。
【００１１】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の静電気放電保護デバイスにおいて、前記カーボンナノチューブは、一対の前記電極の両方のギャップ側の表面から突出している、ことを特徴とする。
【００１２】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の静電気放電保護デバイスにおいて、前記ギャップは、不活性ガス又は窒素で満たされた状態、または真空状態である、ことを特徴とする。
【００１３】
請求項４記載の発明は、請求項１、２又は３記載の静電気放電保護デバイスにおいて、前記カーボンナノチューブは多層カーボンナノチューブである、ことを特徴とする。
【００１４】
請求項５記載の発明は、請求項１、２又は３記載の静電気放電保護デバイスにおいて、前記カーボンナノチューブは単層カーボンナノチューブである、ことを特徴とする。
【００１５】
請求項６記載の発明は、請求項１ないし５のいずれか一記載の静電気放電保護デバイスにおいて、前記カーボンナノチューブはその先端が開環しているチューブである、ことを特徴とする。
【００１６】
請求項７記載の発明は、請求項１ないし６のいずれか一記載の静電気放電保護デバイスにおいて、前記カーボンナノチューブは複数本設けられている、ことを特徴とする。
【００１７】
請求項８記載の発明は、請求項１ないし７のいずれか一記載の静電気放電保護デバイスにおいて、前記カーボンナノチューブは、それを保持して前記電極に設けられたカーボンナノチューブ保持層によって、前記電極の表面に設けられている、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１記載の発明によれば、スパークギャップの電界放出素子として、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を用いることによって、低コストを実現して、低インピーダンスに変化する電圧を安定化することができ、さらにその電圧値を低電圧化することが可能になるため、低い電圧に対しても保護機能が働く静電気放電保護デバイスを提供することができる。
【００１９】
請求項２記載の発明によれば、一対の電極のいずれの表面にもカーボンナノチューブを突出させることによって、低コストを実現して、低インピーダンスに変化する電圧を安定化しつつ、正電位、負電位どちらの電気的過電圧に対しても、低インピーダンスに変化する電圧値を同一にできる静電気放電保護デバイスを提供することができる。
【００２０】
請求項３記載の発明によれば、一対の電極間のギャップを、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅなどの不活性ガスまたは窒素で満たした状態、または真空状態にすることによって、低インピーダンスに変化する電圧を安定化しつつ、カーボンナノチューブの劣化を防止することができ、より長寿命で信頼性が高い静電気放電保護デバイスを提供することができる。
【００２１】
請求項４記載の発明によれば、多層カーボンナノチューブを電極から突出させることによって、低インピーダンスに変化する電圧を安定化しつつ、金属的伝導性を利用して、電界放出特性が高く、より低コストな静電気放電保護デバイスを提供することができる。
【００２２】
請求項５記載の発明によれば、単層カーボンナノチューブを電極から突出させることによって、低インピーダンスに変化する電圧を安定化しつつ、低インピーダンスに変化する電圧をより低電圧化することができ、より低い電圧に対しても保護機能が働く静電気放電保護デバイスを提供することができる。
【００２３】
請求項６記載の発明によれば、先端が開環したカーボンナノチューブを用いることによって、低インピーダンスに変化する電圧を安定化しつつ、低インピーダンスに変化する電圧をより低電圧化することができ、より低い電圧に対しても保護機能が働く静電気放電保護デバイスを提供することができる。
【００２４】
請求項７記載の発明によれば、複数のカーボンナノチューブが電極表面から突出していることによって、複数のカーボンナノチューブからの電界放出が生じ、静電気放電による電荷を短時間のうちに、より多くの電流を流すことができるため、保護能力が高い静電気放電保護デバイスを提供することができる。
【００２５】
請求項８記載の発明によれば、電極表面から突出するカーボンナノチューブは、カーボンナノチューブ保持層を介して電極に保持されていることによって、低インピーダンスに変化する電圧を安定化しつつ、強力に電極に保持されることによって、カーボンナノチューブの離脱を防止することが可能になり、信頼性が高い静電気放電保護デバイスを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明の第一の実施の形態を図１及び図２に基づいて説明する。図１は本実施の形態のＥＳＤ保護デバイス（静電気放電保護デバイス）の基本構成を概略的に示す縦断側面図である。
【００２７】
図１に示すように、ＥＳＤ保護デバイス１は、電界放出を発生させるためのギャップ２を挟んで設けられた一対の電極３，４、それらの電極３，４をそれぞれ保持する基板５，６、その一対の電極３，４の間に設けられギャップ２を形成するスペーサ７、一方の電極３の表面から突出するカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）８、およびギャップ２を大気から遮断するシールド（図示せず）などから構成されている。このようなＥＳＤ保護デバイス１は、信号線と接地線（ＧＮＤ線）との間に設けられ、ＩＣ（集積回路）や光デバイスなどに侵入した静電気放電による過渡電圧からＩＣや光デバイスなどの破壊を防止する。
【００２８】
基板５，６としては、Ｓｉ基板やＧａＡｓ基板等が用いられる。また、一対の電極３，４は、ギャップ２を挟んで対向するように設けられており、そのギャップ２により絶縁されている。この一対の電極３，４はＩＣや光デバイスなどの信号線と接地線とに接続される。一方の電極３のギャップ２側の表面には、カーボンナノチューブ８が突出している。また、スペーサ７は絶縁体等により形成されており、絶縁性を有している。
【００２９】
カーボンナノチューブ８は、それを保持するＣＮＴ保持層（カーボンナノチューブ保持層）９により電極３に設けられている。そのＣＮＴ保持層９は電極３の表面に設けられている。すなわち、カーボンナノチューブ８は、エポキシ樹脂とカーボンナノチューブ８とからなるＣＮＴエポキシ樹脂マトリクスをＣＮＴ保持層９として電極３上に形成し、そのＣＮＴ保持層９の表面を研磨することで、電極３の表面から突出するように形成されている。ここで、図２は、走査型電子顕微鏡によりＣＮＴ保持層９の表面を斜め上方から撮影した写真である。図２に示すように、棒状に光って見える部分（白い部分）が、電極３の表面（ＣＮＴ保持層９の表面）から突出したカーボンナノチューブ８である。
【００３０】
カーボンナノチューブ８は、金属的な電気伝導性を持つため、エポキシ樹脂とカーボンナノチューブ８とが混合してなるＣＮＴ保持層９も電気伝導性を持っている。そのため、電極３に印加された電圧はＣＮＴ保持層９を介してカーボンナノチューブ８の先端に印加されるため、非常に大きな電界を形成することができる。
【００３１】
カーボンナノチューブ８は、機械的強度に優れ、化学的にも安定で、低電圧で電界放出特性を示し、Ｆｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍの式
【００３２】
【数１】
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【００３３】
に従うことが知られている。
【００３４】
このような構成において、静電気放電による負の過渡電圧がＥＳＤ保護デバイス１に侵入すると、電極３を通じて、電極３の表面に突出したカーボンナノチューブ８に負電圧が印加され、その先端が数ｎｍから数十ｎｍと先鋭であるために、局所的に非常に強い電界が形成され、上式にしたがって、瞬時に電界放出による電流が発生し、ＥＳＤ保護デバイス１を通じて過渡電圧を接地線に回避させることができる。
【００３５】
このときの電界では、１０７Ｖ／ｃｍオーダーで、平行平板型の金属電極を用いて電界放出する場合には、例えば１０μｍギャップで１０４Ｖと非常に大きな電圧を印加して、はじめて電界放出が始まる。実際には、電極表面の粒界など微細な凹凸によって、より低い電圧で電界放出が始まるが、さらに低電圧で動作させるために、突起を形成するなどして、電界集中による低電圧動作するようにしている。このような突起は、半導体プロセスにおいてよく知られるフォトリソグラフィーとエッチングによる微細加工技術により形成されるが、その形状を安定して形成することは困難である。これに対して、カーボンナノチューブ８は、より微細な先端を持ち、比較的直径のそろったものを製造することができ、さらに多数のカーボンナノチューブ８を電極３の表面から突出させることによって、局所電界は、カーボンナノチューブ８の径とギャップ２に依存することになり、より安定した特性を得ることができる。
【００３６】
このように本実施の形態によれば、ＥＳＤ保護デバイス１は低電圧印加でもＩＣ（集積回路）や光デバイスなどに侵入する静電気放電による過渡電圧からＩＣや光デバイスなどの破壊を防止することができる。また、カーボンナノチューブ８を電極３の表面に突出させることによって、低インピーダンスに変化する電圧を安定化することができる。特に、多数のカーボンナノチューブ８が突出しているために、複数のカーボンナノチューブ８からの電界放出が生じ、静電気放電により短時間により多くの電流を流すことができる。さらに、多層カーボンナノチューブ８を用いることで、その金属的伝導性を利用して、樹脂を用いて電気伝導性のあるＣＮＴ保持層９を形成することができ、より低コストなＥＳＤ保護デバイス１を提供することができる。また、カーボンナノチューブ８は、エポキシ樹脂とカーボンナノチューブ８とを混ぜ合わせたＣＮＴ樹脂マトリクスからなるＣＮＴ保持層９を介して電極３に保持されているため、カーボンナノチューブ８の離脱を防止することが可能になり、機械的強度が十分で高い信頼性のＥＳＤ保護デバイス１を提供することができる。さらに、フィールドエミッション素子の特性である、小さな静電容量と大きな放電電流を維持したＥＳＤ保護デバイス１を形成することができる。
【００３７】
なお、本実施の形態では、カーボンナノチューブ８をエポキシ樹脂に分散させてＣＮＴ樹脂マトリクスをＣＮＴ保持層９として形成し、そのＣＮＴ保持層９を研磨することによって、カーボンナノチューブ８を電極３の表面に突出させているが、ＣＮＴ保持層９をエッチング処理してカーボンナノチューブ８を電極３の表面に突出させてもよい。また、電極３の表面に直接カーボンナノチューブ８をＣＶＤ成長させてもよく、あるいは電極３の表面に導電性接着剤を介してカーボンナノチューブ８を固定させてもよい。
本発明の第二の実施の形態を図３に基づいて説明する。図３は本実施の形態のＥＳＤ保護デバイス（静電気放電保護デバイス）の基本構成を概略的に示す縦断側面図である。
【００３８】
本実施の形態のＥＳＤ保護デバイス１Ａは、第一の実施の形態のＥＳＤ保護デバイス１と略同じ構成である。ここでは、本実施の形態のＥＳＤ保護デバイス１Ａと第一の実施の形態のＥＳＤ保護デバイス１との相違点について説明する。なお、第一の実施の形態と同一部分は同一符号で示し、その説明も省略する。
【００３９】
図３に示すように、対向する一対の電極３，４の両方の表面には、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）８が突出している。これにより、正または負のどちらの静電気放電による過渡電圧を印加された場合でも、相対的に低い電圧の電極３，４の表面から突出するカーボンナノチューブ８から電界放出による電流が発生し、ＥＳＤ保護デバイス１Ａを通じて過渡電圧を接地線に回避させることができる。
【００４０】
また、カーボンナノチューブ８が突出して対向する一対の電極３，４によって形成されたギャップ２には、不活性ガスであるＡｒが充填されている。酸素が存在する雰囲気中では、電界放出によるカーボンナノチューブ８の劣化が発生するが、Ａｒ雰囲気中では、電界放出によるカーボンナノチューブ８の劣化が抑制されるため、より長寿命で信頼性が高いＥＳＤ保護デバイス１Ａを提供することができる。なお、充填するガスとしては、Ａｒを用いているが、これに限るものではなく、例えば、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅなどの不活性ガス、または窒素を用いてもよい。このようにギャップ２は不活性ガスまたは窒素で満たされた状態であってもよく、あるいは真空状態であってもよい。
【００４１】
このような構成において、静電気放電による正負どちらかの過渡電圧がＥＳＤ保護デバイス１Ａに侵入すると、電極３又は電極４を通じて、電極３又は電極４の表面に突出したカーボンナノチューブ８に負電圧又は正電圧が印加され、その先端が数ｎｍから数十ｎｍと先鋭であるために、局所的に非常に強い電界が形成され、瞬時に電界放出による電流が発生し、ＥＳＤ保護デバイス１Ａを通じて過渡電圧を接地線に回避させることができる。
【００４２】
このように本実施の形態によれば、ＥＳＤ保護デバイス１Ａは低電圧印加でもＩＣ（集積回路）や光デバイスなどに侵入する静電気放電による過渡電圧からＩＣや光デバイスなどの破壊を防止することができる。特に、ＥＳＤ保護デバイス１Ａは、正負どちらの電圧印加でも低電圧で、静電気放電に対する保護デバイスとして作用する。さらに、ギャップ２にＡｒを充填することによって、電界放出によるカーボンナノチューブ８の劣化がなく、より長寿命のＥＳＤ保護デバイス１Ａを提供することができる。また、カーボンナノチューブ８を電極３，４の表面に突出させることによって、低インピーダンスに変化する電圧を安定化することができる。特に、多数のカーボンナノチューブ８が突出しているために、複数のカーボンナノチューブ８からの電界放出が生じ、静電気放電により短時間により多くの電流を流すことができる。さらに、多層カーボンナノチューブ８を用いることで、金属的伝導性を利用して、樹脂を用いて電気伝導性のあるＣＮＴ保持層９を形成することができ、より低コストなＥＳＤ保護デバイス１Ａを提供することができる。また、カーボンナノチューブ８は、エポキシ樹脂とカーボンナノチューブとを混ぜ合わせたＣＮＴ樹脂マトリクスからなるＣＮＴ保持層９を介して電極３，４に保持されているため、カーボンナノチューブ８の離脱を防止することが可能になり、機械的強度が十分で高い信頼性のＥＳＤ保護デバイス１Ａを提供することができる。さらに、フィールドエミッション素子の特性である、小さな静電容量と大きな放電電流を維持したＥＳＤ保護デバイス１Ａを形成することができる。
【００４３】
本発明の第三の実施の形態を図４に基づいて説明する。図４は本実施の形態のＥＳＤ保護デバイス（静電気放電保護デバイス）の基本構成を概略的に示す縦断側面図である。
【００４４】
本実施の形態のＥＳＤ保護デバイス１Ｂは、プリント回路基板（図示せず）の表面などに実装される表面実装タイプのデバイス（ＳＭＤ：Surface - Mountable Device）である。なお、第一の実施の形態と同一部分は同一符号で示し、その説明も省略する。
【００４５】
図４に示すように、ＥＳＤ保護デバイス１Ｂは、部品を保持する基材１１と、基材１１に設けられプリント回路基板の信号線と接地線とにそれぞれ接続される一対の下電極４ａ，４ｂ、ギャップ２を挟んで基材１１に設けられた一対の上電極３ａ，３ｂ、それらの上電極３ａ，３ｂの表面から突出するカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）８、及び上電極３ａ，３ｂにシール材１２を介して設けられた保護層１３などから構成されている。
【００４６】
下電極４ａ，４ｂと上電極３ａ，３ｂとは、それぞれターミネート電極１４によって電気的に接続されている。また、上電極３ａ，３ｂの表面から突出するカーボンナノチューブ８とギャップ２とは、絶縁性のシール材１２と保護層１３とによって大気から遮断されている。
【００４７】
基材１１としては、ガラス基板等が用いられる。また、一対の上電極３ａ，３ｂは、ギャップ２を挟んで対向するように設けられており、そのギャップ２により絶縁されている。一対の上電極３ａ，３ｂのギャップ２側の表面には、カーボンナノチューブ８が突出している。また、上電極３ａ，３ｂの表面から突出したカーボンナノチューブ８の先端は開環している。通常、カーボンナノチューブ８の先端は、炭素の５員環及び６員環によって閉じた形状をしているが、その先端を開環することによって、より低電圧で電界放出させることが可能になるため、動作電圧を低くすることができる。
【００４８】
カーボンナノチューブ８は、それを保持するＣＮＴ保持層（カーボンナノチューブ保持層）９により上電極３ａ，３ｂに設けられている。ＣＮＴ保持層９は、一対の上電極３ａ，３ｂの互いのカーボンナノチューブ８が対向するように上電極３ａ，３ｂの表面に設けられている。カーボンナノチューブ８は、エポキシ樹脂とカーボンナノチューブ８とからなるＣＮＴエポキシ樹脂マトリクスを上電極３ａ，３ｂの間に形成し、そのＣＮＴエポキシ樹脂マトリクスにリソグラフィーとアッシングとを用いてギャップ２を形成することで、上電極３ａ，３ｂの表面から突出するように形成されている。なお、ギャップ２を形成する際には、エポキシ樹脂だけが除去されるため、カーボンナノチューブ８はＣＮＴ保持層９の表面から突出する。
【００４９】
ギャップ２には、窒素が充填されている。酸素が存在する雰囲気中では、電界放出によるカーボンナノチューブ８の劣化が発生するが、窒素雰囲気中では、電界放出によるカーボンナノチューブ８の劣化が抑制されるため、より長寿命で信頼性が高いＥＳＤ保護デバイス１Ｂを提供することができる。なお、充填するガスとしては、窒素を用いているが、これに限るものではなく、例えば、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅなどの不活性ガスを用いてもよい。このようにギャップ２は不活性ガスまたは窒素で満たされた状態であってもよく、あるいは真空状態であってもよい。
【００５０】
このような構成において、静電気放電による正負どちらかの過渡電圧がＥＳＤ保護デバイス１Ｂに侵入すると、上電極３ａ又は上電極３ｂを通じて、上電極３ａ又は上電極３ｂの表面に突出したカーボンナノチューブ８に負電圧又は正電圧が印加され、その先端が数ｎｍから数十ｎｍと先鋭であるために、局所的に非常に強い電界が形成され、瞬時に電界放出による電流が発生し、ＥＳＤ保護デバイス１Ｂを通じて過渡電圧を接地線に回避させることができる。
【００５１】
このように本実施の形態によれば、ＥＳＤ保護デバイス１Ｂは、開環しない多層カーボンナノチューブ８の場合に比べてより低い電圧印加でも、ＩＣ（集積回路）や光デバイスなどに侵入する静電気放電による過渡電圧からＩＣや光デバイスなどの破壊を防止することができる。さらに、ギャップ２に窒素を充填することによって、電界放出によるカーボンナノチューブ８の劣化がなく、より長寿命のＥＳＤ保護デバイス１Ｂを提供することができる。また、カーボンナノチューブ８を上電極３ａ，３ｂから突出させることによって、動作電圧の安定化を実現することができる。特に、多数のカーボンナノチューブ８が突出しているために、複数のカーボンナノチューブ８からの電界放出が生じ、静電気放電により短時間により多くの電流を流すことができる。さらに、多層カーボンナノチューブ８を用いることで、金属的伝導性を利用して、樹脂を用いて電気伝導性のあるＣＮＴ保持層９を形成でき、より低コストなＥＳＤ保護デバイス１Ｂを提供することができる。また、カーボンナノチューブ８は、エポキシ樹脂とカーボンナノチューブ８とを混ぜ合わせたＣＮＴ樹脂マトリクスからなるＣＮＴ保持層９を介して上電極３ａ，３ｂに保持されているため、カーボンナノチューブ８の離脱を防止することが可能になり、機械的強度が十分で高い信頼性のＥＳＤ保護デバイス１Ｂを提供することができる。さらに、フィールドエミッション素子の特性である、小さな静電容量と大きな放電電流を維持したＥＳＤ保護デバイス１Ｂを形成することができる。
【００５２】
なお、本実施の形態では、カーボンナノチューブ８として多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ）を用いているが、これに限るものではなく、例えば単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）を用いてもよい。この場合には、単層カーボンナノチューブ８は、グラフェンシートが単層であり、多層カーボンナノチューブ８に比べて、先端の曲率半径が小さく、より低電圧で電界放出する。例えば、単層カーボンナノチューブ８としては、その平均直径が１．５ｎｍで、先端が開環していないチューブが用いられる。
【実施例】
【００５３】
＜実施例１＞
本発明の第一の実施の形態のＥＳＤ保護デバイス１を製造する（図１参照）。まず、メッキやスパッタなどの公知技術によって、Ｓｉ基板である基板５，６上に電極３，４を形成する。次に、平均の直径が１０ｎｍ、平均長さが１μｍ、先端が開環していない多層カーボンナノチューブ（ＮＷＮＴ）８をエポキシ樹脂中に分散し、これを基板５上に塗布して熱硬化させる。この熱硬化したエポキシ樹脂とカーボンナノチューブ８とからなるＣＮＴエポキシ樹脂マトリクスをＣＮＴ保持層９とする。次いで、このＣＮＴ保持層９の表面に対して、アルミナ研磨材（粒径０．３μｍ）と発泡ウレタンの研磨パッドとを用いて研磨を行い、電極３の表面からカーボンナノチューブ８を突出させる。
【００５４】
カーボンナノチューブ８は、機械的及び化学的に安定で、研磨によりエポキシ樹脂のみが除去され、多数の多層カーボンナノチューブ８が、導電性を持つＣＮＴ保持層９を介して、電極３の表面から突出する。ＣＮＴエポキシ樹脂マトリクスが、電極３の表面に突出するカーボンナノチューブ８を保持するＣＮＴ保持層９として機能する。また、多層カーボンナノチューブ８は、金属的な電気伝導性を持つため、エポキシ樹脂とカーボンナノチューブ８とが混合してなるＣＮＴ保持層９も電気伝導性を持っている。そのため、電極に印加された電圧はＣＮＴ保持層９を介してカーボンナノチューブ８の先端に印加されるため、非常に大きな電界を形成することができる。
【００５５】
最後に、カーボンナノチューブ８を表面に有する電極３が形成された基板５と電極４が形成された基板６とを絶縁性のスペーサ７を介して貼り合わせる。ここでは、スペーサ７として膜厚１２μｍのマイラーを用いて、ＣＮＴ保持層９と対向する電極３，４の間に１２μｍのギャップ２を形成する。
【００５６】
このようにして形成したＥＳＤ保護デバイス１の最低動作電圧を計測したところ、ＥＳＤ保護デバイス１は、−１１０Ｖと低電圧印加でも、静電気放電に対する保護デバイスとして作用することが確認された。また、カーボンナノチューブ８を電極３の表面に突出させることによって、低インピーダンスに変化する電圧を安定化することができることも確認された。一方、ＩＥＣ６１０００−４−２レベル４によって規定される、従来の接触放電８ｋＶの試験に対しても、十分に静電気放電に対する保護デバイスとして働くことも確認された。
【００５７】
このようなＥＳＤ保護デバイス１では、特に、多数のカーボンナノチューブ８が突出しているために、複数のカーボンナノチューブ８からの電界放出が生じ、静電気放電により短時間により多くの電流を流すことができる。さらに、多層カーボンナノチューブ８を用いることで、その金属的伝導性を利用して、樹脂を用いて電気伝導性のあるＣＮＴ保持層９を形成することができ、より低コストなＥＳＤ保護デバイス１を提供することができる。また、カーボンナノチューブ８は、エポキシ樹脂とカーボンナノチューブ８とを混ぜ合わせたＣＮＴ樹脂マトリクスからなるＣＮＴ保持層９を介して電極３に保持されているため、カーボンナノチューブ８の離脱を防止することが可能になり、機械的強度が十分で高い信頼性のＥＳＤ保護デバイス１を提供することができる。さらに、フィールドエミッション素子の特性である、小さな静電容量と大きな放電電流を維持したＥＳＤ保護デバイス１を形成することができる。
【００５８】
＜実施例２＞
本発明の第二の実施の形態のＥＳＤ保護デバイス１Ａを製造する（図３参照）。まず、メッキやスパッタなどの公知技術によって、Ｓｉ基板である基板５，６上に電極３，４を形成する。次に、平均の直径が１０ｎｍ、平均長さが１μｍ、先端が開環していない多層カーボンナノチューブ８をエポキシ樹脂中に分散し、これを基板５，６上に塗布して熱硬化させる。この熱硬化したエポキシ樹脂とカーボンナノチューブ８とからなるＣＮＴ樹脂マトリクスマトリクスをＣＮＴ保持層９とする。次いで、このＣＮＴ保持層９の表面に対して、アルミナ研磨材（粒径０．３μｍ）と発泡ウレタンの研磨パッドを用いて研磨を行い、電極３，４の表面からカーボンナノチューブ８を突出させる。
【００５９】
カーボンナノチューブ８は、機械的及び化学的に安定で、研磨によりエポキシ樹脂のみが除去され、多数の多層カーボンナノチューブ８が、導電性を持つＣＮＴ保持層９を介して、電極３の表面から突出する。ＣＮＴエポキシ樹脂マトリクスが、電極３の表面に突出するカーボンナノチューブ８を保持するＣＮＴ保持層９として機能する。
【００６０】
最後に、カーボンナノチューブ８を表面に有する電極３が形成された基板５とカーボンナノチューブ８を表面に有する電極４が形成された基板６とを絶縁性のスペーサ７を介して貼り合わせる。ここでは、スペーサ７として膜厚１２μｍのマイラーを用いて、ＣＮＴ保持層９と対向する電極３，４の間に１２μｍのギャップ２を形成し、真空装置内で大気を排気した後、そのギャップ２にＡｒガスを充填した後に貼り合わせてシールする。なお、充填するガスとしては、Ａｒを用いているが、これに限るものではなく、例えば、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅなどの不活性ガス、または窒素を用いてもよい。このようにギャップ２を不活性ガスまたは窒素で満たした状態にしても良く、あるいは真空状態にしてもよい。このようにギャップ２に酸素が存在しない場合には、電界放出によるカーボンナノチューブ８の劣化を防止することができる。
【００６１】
このようにして形成したＥＳＤ保護デバイス１Ａの最低動作電圧を計測したところ、ＥＳＤ保護デバイス１Ａは、±１１０Ｖとどちらの極性の電圧印加でも、低電圧で静電気放電に対する保護デバイスとして作用することが確認された。また、ＥＳＤ保護デバイス１Ａは、実施例１と同様の効果も有する。なお、ギャップ２にＡｒを充填することによって、電界放出によるカーボンナノチューブ８の劣化がなく、より長寿命のＥＳＤ保護デバイス１Ａを提供することができる。
【００６２】
＜実施例３＞
本発明の第三の実施の形態のＥＳＤ保護デバイス１Ｂを製造する（図４参照）。まず、平均の直径が１０ｎｍ、平均長さが１μｍ、先端が開環していない多層カーボンナノチューブ８を硫酸中に分散させ、１５０℃に加熱した状態で、過マンガン酸カリウムを加えて数時間還流し、多層カーボンナノチューブ８の先端を酸化させることで開環する。基材１１としてガラス基板を用い、メッキやスパッタなどの公知技術によって基材１１上に上電極３ａ，３ｂを形成する。次に、先端を開環した多層カーボンナノチューブ８をエポキシ樹脂中に分散し、これを上電極３ａ，３ｂの間に塗布して熱硬化させる。この熱硬化したエポキシ樹脂とカーボンナノチューブとからなるＣＮＴエポキシ樹脂マトリクスをＣＮＴ保持層９とする。
【００６３】
次いで、このＣＮＴ保持層９をリソグラフィーとアッシングとを用いてパターニングし、そこに１０μｍ幅のギャップ２を形成する。ここで用いられるパターニングは非常にラフなもので、低コストなものである。このときエポキシ樹脂だけが除去されるため、カーボンナノチューブ８はＣＮＴ保持層９の表面から突出する。すなわち、電極３ａ，３ｂの表面からカーボンナノチューブ８が突出する。その後、洗浄を行い、ギャップ２の間に遊離したカーボンナノチューブ８を除去し、真空装置内で大気を排気した後、窒素ガスを充填した後に、絶縁性のシール材１２を用いて、カーボンナノチューブ８を表面に有する上電極３ａ，３ｂが形成された基材１１と保護層１３とを貼り合わせてシールする。最後に、下電極４ａ，４ｂ及びターミネート電極１４を形成し、ＥＳＤ保護デバイス１Ｂとする。
【００６４】
ここでは、湿式の酸化によりカーボンナノチューブ８の先端を開環したが、これに限るものではなく、例えば大気中またはＣＯ２中において、７００℃から８５０℃に加熱することによって先端を開環してもよい。また、充填するガスとしては、窒素を用いているが、これに限るものではなく、例えば、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅなどの不活性ガスを用いてもよい。このようにギャップ２を不活性ガスまたは窒素で満たした状態にしても良く、あるいは真空状態にしてもよい。このようにギャップ２に酸素が存在しない場合には、電界放出によるカーボンナノチューブ８の劣化を防止することができる。
【００６５】
このようにして形成したＥＳＤ保護デバイス１Ｂの最低動作電圧を計測したところ、ＥＳＤ保護デバイス１Ｂは、±８０Ｖと、開環しない多層カーボンナノチューブ８の場合に比べてより低い電圧印加でも、静電気放電に対する保護デバイスとして作用することが確認された。さらに、ＩＥＣ６１０００−４−２レベル４によって規定される、従来の接触放電８ｋＶの試験に対しても、十分に静電気放電に対する保護デバイスとして働くことも確認された。また、ＥＳＤ保護デバイス１Ｂは、実施例１と同様の効果も有する。なお、ギャップ２に窒素を充填することによって、電界放出によるカーボンナノチューブ８の劣化がなく、より長寿命のＥＳＤ保護デバイス１Ｂを提供することができる。
【００６６】
＜実施例４＞
カーボンナノチューブ８として多層カーボンナノチューブに換えて単層カーボンナノチューブを用いて、実施例３と同様に本発明の第三の実施の形態のＥＳＤ保護デバイス１Ｂを製造する（図４参照）。用いる単層カーボンナノチューブ８は、その平均直径が１．５ｎｍで、先端が開環していないチューブである。
【００６７】
このようにして形成したＥＳＤ保護デバイス１Ｂの最低動作電圧を計測したところ、ＥＳＤ保護デバイス１Ｂは、±８０Ｖと、開環しない多層カーボンナノチューブ８の場合に比べてより低い電圧印加でも、静電気放電に対する保護デバイスとして作用することが確認された。さらに、ＩＥＣ６１０００−４−２レベル４によって規定される、従来の接触放電８ｋＶの試験に対しても、十分に静電気放電に対する保護デバイスとして働くことも確認された。また、ＥＳＤ保護デバイス１Ｂは、実施例３と同様の効果も有する。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の第一の実施の形態のＥＳＤ保護デバイス（静電気放電保護デバイス）の基本構成を概略的に示す縦断側面図である。
【図２】走査型電子顕微鏡によりＣＮＴ保持層の表面を斜め上方から撮影した写真である。
【図３】本発明の第二の実施の形態のＥＳＤ保護デバイス（静電気放電保護デバイス）の基本構成を概略的に示す縦断側面図である。
【図４】本発明の第三の実施の形態のＥＳＤ保護デバイス（静電気放電保護デバイス）の基本構成を概略的に示す縦断側面図である。
【符号の説明】
【００６９】
１，１Ａ，１Ｂ  静電気放電保護デバイス（ＥＳＤ保護デバイス）
２              ギャップ
３，４          電極
３ａ，３ｂ      電極（上電極）
８              カーボンナノチューブ
９              カーボンナノチューブ保持層（ＣＮＴ保持層）
【図１】
2006004966.tif 000004
【図２】
2006004966.tif 000005
【図３】
2006004966.tif 000006
【図４】
2006004966.tif 000007